复杂环境下特大断面隧道矿山法开挖技术研究

周仕仁

上海宝冶集团有限公司 上海 200941

引言

近年来，我国基建项目高速发展，城市轨道交通建设施工技术也日益成熟完善，适应了各类复杂的周边环境，克服了多种不利地质因素带来的影响，呈现了比较完善的施工工艺、工法，同时又向着更高难度、更多的功能性要求摸索前进，如本文中将会提到的下穿复杂的外部环境，停车线C1型断面以及断面多且变化较快等问题，考虑如何克服自身环境风险，保障施工质量和工期，是需要持续关注和研究的问题。

1 工程概况

1.1 工程简介

贵阳市轨道交通2号线二期工程项目富源北路站～森林公园站区间暗挖隧道全长3043.036m，为矿山法施工隧道。隧道自富源北路站起，下穿富源北路、中环路高架桥及七星大酒店（4层砼），后下穿森林公园山岭，至森林公园站止。隧道小里程端为停车线区段，设三段4线停车线大断面，大断面两端接单洞双线、双洞单线断面结构，断面形式多、变化大，且均为突变断面，线间距12m～16m，隧道拱顶埋深为18～220m。

因周边环境影响，小里程端不具备直接进洞条件，设施工斜井，形成两个与正线垂直相交的通道。区间内三段4线停车线断面，第1段起讫里程为DK39+055～+119，全长64m，开挖断面面积307.21m2；第2段起讫里程为DK39+306.75～+367.3，全长60.55m，开挖断面面积303.25m2；第3段起讫里程为DK39+513.55～+559，全长45.45m，开挖断面面积316.51m2。以上三段按照国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的大小划分标准，均为特大断面（>100m2）。停车线断面尺寸约24an.0m×16.1m，断面大且不连续，如图1所示。

图1 富～森区间停车线大断面平面示意图

停车线C1型断面与停车线C型断面净距187.75m，停车线C型断面与停车线C2型断面净距146.25m。本文以周边环境复杂且施工要求高的停车线C1型大断面做重点介绍[1]。

1.2 周边环境

区间隧道DK39+020.35～+100段下穿中环路高架桥，DK39+100～+145段下穿七星酒店（4层砼），隧道拱顶埋深23～37m。隧道两侧距离中环路桥梁桩基距离最近水平距离2.87～4.96m，桩基基地深入隧道仰拱下约10m。其余区段进入森林公园山岭，如图2、图3所示。

图3 区间隧道周边环境关系纵剖图（局部）

1.3 工程地质

隧道穿越森林公园山岭，围岩变化较大，主要穿越白云岩、梁山组和龙潭组砂岩、灰岩夹泥岩等，岩体软硬相间，完整性较差，围岩等级Ⅲ级至Ⅴ级，其中停车线C1型为Ⅴ级围岩。

地下水主要为裂隙水，整体含水量较小，大气降水是区间隧道地下水的主要补给来源，受季节性降雨影响明显。

区间隧道范围内总体地势中间高两端低，拱顶埋深为18～220m，其中停车线C1型断面拱顶至富源北路地表埋深约18m。

2 关键施工技术

2.1 小断面突变大断面施工技术

以区间隧道停车线C1型断面为例，停车线断面尺寸约24.0m×16.1m，连接两端左线双线断面及右线单线断面，双线断面尺寸为11.7m×9.1m，单线断面尺寸为6.4m×6.9m，施工至停车线大断面DK39+119接口部位，需设置爬坡段施工进入大断面，横向开挖临时横通道，完成挑顶扣拱后，依次展开大断面各硐室开挖。总体组织方式如图4所示。

图4 小断面变停车线C1型断面施工组织示意图

2.1.1 爬坡段施工。区间标准断面与停车线断面高差较大，且为突变型断面，施工前需设置爬坡段作业，爬坡段设置由左、右线两侧隧道均可进入，施工时综合考虑施工进展、施工通道设置及降低成本等方面因素，爬坡段作为临时支护作业，在保障安全施工的前提下，综合考虑既有机械设备尺寸及出渣效率，净空尺寸宽6.0m×高5.5m，坡度以12～17°为宜，系统支护参数参照本区段内同等级围岩支护参数施工，接口部分采用洞渣做部分回填，顺接爬坡段通道。如图5所示。

图5 爬坡段设置纵断面示意图

2.1.2 临时横通道施工。爬坡段施工进入大断面左（右）侧上拱部硐室，并进行二次断面调整，使之与大断面上拱部左（右）侧开挖轮廓一致，再向右（左）线方向施工横通道。

横通道断面尺寸为高5.5m×宽6.0m，采用Ι20b工字钢，间距0.5m/榀，拱顶3.5mΦ42超前注浆小导管按照环向0.35m、纵向2.0m做超前支护，两侧边墙采用2.0mΦ22的砂浆锚杆按照环向1.0m、纵向1.0m梅花形布置做系统支护，拱肩及拱脚部位采用两根3.5mΦ22锁脚锚杆固定，拱顶下沿标高高于永久断面拱架。

临时横通道承接两端隧道的主要施工通道，是进入停车线C1型断面分部施工的关键步骤。横通道成型后，进行横通道范围二次永久拱架施工，采用HW250×250×14型钢托梁做临时支撑永久拱架，成型后方可进行马头门开挖，如图6所示。

图6 横通道范围内换拱及托梁断面图

2.1.3 马头门进主洞施工。马头门施工前沿主洞设计轮廓环向间隔0.35m打设3.5mΦ42超前小导管，注浆验收合格后进行马头门破除作业，进尺0.5m，安装两环拱架，为确保马头门进洞安全，主洞拱架与定位锚杆、托梁、连接钢板等焊接牢固形成整体，避免形变破坏。

主洞采用Ι28b工字钢，间距0.5m/榀，拱顶3.5mΦ42超前注浆小导管按照环向0.35m、纵向3.5m做超前支护，拱顶120°范围采用4.0mΦ32的注浆钢花管按照环向1.0m、纵向1.0m梅花形布置，两侧采用2.0mΦ22的砂浆锚杆按照环向1.0m、纵向1.0m梅花形布置做系统支护，两侧临近桥墩基础范围增加3.5mΦ42超前注浆小导管做加强处理，各硐室拱架连接部位均采用两根3.5mΦ22锁脚锚杆固定。

2.1.4 大断面施工。

2.1.4 .1 反向施工②、③部施工。以临时横通道为基础施工空间，首先反方向打开②部硐室马头门，安装临时支撑，待②部进尺10～15m时，方可打开③部工作面，形成梯队作业，停车线C1型硐室分布如图7所示。

图7 停车线C1型断面各硐室分布图

根据停车线C1型断面尺寸划分，各硐室断面尺寸约高5.0m、宽8.0m，均采用台阶法施工，上下台阶间距3.0m，可根据围岩情况做适当调整，开挖后立即架设拱架，减少应力释放。

2.1.4 .2 正向完成②部。停车线C1型断面③部硐室反向进尺达到10m以上时，即可打开正向②部马头门，采用台阶法施工，进行②部硐室作业。

2.1.4 .3 降坡连通右（左）线。停车线C1型断面②部硐室施工至两侧接口端头部位，可将两侧再降至接线段标高，打通右侧通道，右侧通道根据行车高度及空间利用率，开挖需降至8.1m，在停车线两端设置约20m拉坡段，作为右线施工通道，保证车辆正常通行，满足右线提前进入标准段作业，连续施工。

图8 降坡示意图

2.1.4 .4 返渣扩挖①部硐室。隧道右线打通，提供了材料及渣土运输通道，并极大缩短工期，此时即可施工停车线C1型断面反向①部剩余部分。此段①部施工可采用其他硐室开挖产生的石渣将既有爬坡段进行回填垫高，回填高度与临时横通道底标高相同，略低于①部横向临时支撑，根据设计轮廓，每2～3榀为一个工作循环，拆除爬坡段拱架的同时，立即安装隧道拱架及临时支撑。

停车线C1型断面施工至本阶段已全部打开工作面，其余各硐室施工可参照图7所示依次施工，施工时相邻两个硐室进尺需错开10～15m距离，完成整个停车线C1型断面开挖作业。

图9 返渣扩挖示意图

2.1.5 拆除临时支撑。停车线C1型断面临时支撑拆除遵循“以监测数据指导，由上至下，分段、分区拆除”的原则进行，拆除过程中采用临时脚手架，配合人工破除由上至下分部进行拆除。每组拆除长度为8～10m，单组采取“隔一拆一”方法进行拆除，拆除前必须完成该段二衬仰拱施工，并达到设计强度的75%，拆除过程中随时对拱部沉降和净空收敛进行监测，如遇频率超限及观测数值突变，应立即对支撑恢复[2]。

图10 拆除顺序

2.2 冷开与爆破结合开挖施工技术

停车线C1型断面采用“CRD”法施工，将大断面分割为9个硐室开挖，断面距离两侧桥墩较近，为减少爆破振动传播，先采用悬臂掘进机冷挖两侧3m岩体，形成临空面，对预留核心土部分进行控制爆破施工，如图11所示；相邻较小断面，采用上台阶冷开，下台阶爆破的方式进行。

图11 停车线C1型冷开与爆破区域划分

爆破相关设计参数本文中不做详细介绍。

3 重难点分析

3.1 工程水文、地质复杂

隧道下穿森林公园山岭，施工前无法准确揭露地质情况，且在当地喀斯特地貌下溶洞、溶槽较多，且分布无规律，岩体自身稳定性较差，塌方事故发生的概率较高。

应对措施：采用科学、动态的施工管理，采用超前地质雷达、TSP、超前红外探水、超前水平探孔等措施，相互印证隧道前方围岩情况，同时应以监控量测信息为施工依据，科学指导施工。施工期间配备充足的应急物资，加强项目管理人员和一线作业人员的险情应对培训，增加其应对能力。

3.2 开挖断面大，拱部跨度大

四线停车线断面面积达到317m2，分区开挖也达到最小也达到34m2，开挖过程不可避免的出现初衬无法闭合的时间较长，拱架与临时支撑也存在多次接撑的情况，围岩也存在多次扰动的情况，对整个围岩稳定极为不利。

应对措施：短进尺开挖，缩短工序时间，保证错台距离，按照设计要求安装临时支撑，减少跨度，保证设计安全；合理组织施工，配置充足的施工生产资源，减少工序搭接时间；必要时加强支护措施，保证施工安全和结构安全[3]。

3.3 施工工艺复杂、工法类型多

区间设计断面类型多达28种，其中包含了4线停车线大断面、双线单洞、单线单洞等，依次采用工法包括“CRD”法、双侧壁导坑法、台阶法等，且根据不同的周边环境采用的相应的爆破工艺。

三段4线停车线断面，第1段由于下穿重要建构筑物，且拱顶埋深较浅，采用悬臂掘进机冷开结合爆破开挖的方式，增加了双道临时仰拱，其余两段根据不同的支护参数，采用双侧壁导坑法依次施工。

应对措施：深入研究施工设计资料，结合超前地质预报反映围岩情况，针对不同施工条件制定具体实施方案，编制有针对性的问题清单，强化过程管理。同时在建构筑物保护区域内施工，密切关注周边建构筑物、地面附着物、地下管线等重要保护物的受影响情况，加强施工监测，形成专题报告，以便及时有效采取保护措施。

3.4 马头门开挖工序繁复，受力转换复杂、风险高

区间隧道施工过程中，断面变化频繁，特别在小断面变停车线C1型断面时，经过爬坡段、扩挖、挑顶以及多次开马头门等关键工序，才能满足设计要求，且经过多次换撑与拆撑，如何保证初支稳定安全，是本工程的施工重点。

应对措施：充分理解设计意图，施工过程中保证每道工序，符合设计和规范标准要求，通过严密的监控量测，来指导施工，确定支撑的架设时机和拆除时机，工序转换，通过精准的测量来定位预埋及预留件的位置，尽量保证实际结果与推算模型相契合。

3.5 近距离通过两侧桥墩基础

停车线C1型断面需下穿通过中环路高架桥桥墩基础，断面轮廓外侧距离桥墩最近距离为2.87m，采用悬臂掘进机全冷开施工，远远不能达到工期要求，根据桥梁管理单位要求，采用爆破时，振速不得大于0.5cm/s且“0沉降”。

应对措施：施工前需与爆破单位认真研究爆破对中环路桥墩的影响，确定以冷开的方式提供临空面，结合控制爆破方式开挖，以“低药量、多段位，短进尺、多循环”的方式攻坚安全与工期难题。注重“试爆”参数，注重岩体松散变化，及时调整爆破用药量。

4 应用效果

该施工技术在隧道小断面突变大断面施工中，在“CRD”法的应用上做出了优化，增设了爬坡段施工、临时横通道，提前打开右线作业面，极大改善了隧道内空气质量，使整个暗挖隧道的工期提前约3个月[4]。

在安全性及对周边环境影响方面得到了保障，在施工期间对拱顶沉降、净空收敛、地表沉降、桥墩基础、爆破振速等方面全面、全程监测，富源北路道路累计沉降要求为-30mm，实际布设点位39个，最大累计值为-5.62mm，中环路桥墩基础累计沉降要求为-10mm，实际布设点位68个，最大累计值为-1.93mm，同时，在9个月施工期间各监测项目变化速率低，整体安全可靠。如图12、图13所示。

图12 下穿富源北路地表沉降曲线图

图13 下穿中环路高架桥墩基础沉降曲线图

5 结束语

本施工技术的应用在前期对施工条件、周边环境、设计意图等方面进行了多次深入的研究讨论，从施工安全、职业健康、施工组织以及工期保障等方面制定技术方案，充分考虑了小断面突变大断面的爬坡、换撑、扩挖、返渣等相关工序的可行性和成本，最终得到了成功应用，大大降低了对周边居民及环境的影响，确保节点工期的按时完成，得到了相关单位的一致好评。